(57)【要約】【課題】圧力検出器の製造の簡略化を図りつつ圧力の検出精度を高める。【解決手段】本発明の圧力検出器１のセンサ部３は、一方の圧力検出用電極８が設けられた基板１５と、この一方の圧力検出用電極８と所定のギャップ７を挟んで対向するように基板１５上に積層され、かつ一方の圧力検出用電極８と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラム２とを備える。すなわち、このセンサ部３では、ダイアフラム２本体を電子伝導性を有する材料で形成しているので、圧力検出用の電極やこの電極のリード部をダイアフラム上に設ける必要性がなく、圧力検出器１の製造の簡略化を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の圧力検出用電極が設けられた基板と、
前記一方の圧力検出用電極と所定の間隙を挟んで対向するように前記基板上に積層され、かつ前記一方の圧力検出用電極と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラムと、
を具備することを特徴とする圧力検出器。
【請求項２】
前記基板に代えて、前記ダイアフラムと所定の間隙を挟んで対向するように当該ダイアフラムに積層されかつ前記一方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製の第２のダイアフラムを備えることを特徴とする請求項１記載の圧力検出器。
【請求項３】
前記ダイアフラムの電気伝導率は、１．０×１０4Ω-1・ｍ-1以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗体を設けたダイアフラムの変形に対応する抵抗値の変化に基づいて、圧力の検出を行う抵抗変化型の圧力検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、この他、所定のギャップを挟んで各々対向する一方の電極とダイアフラム上の他方の電極との間の静電容量の変化に基づいて、圧力を検出する静電容量型の圧力検出器なども知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
ここで、図７に例示するように、従来の静電容量型の圧力検出器８１は、一方の圧力検出用電極８２を備える基板８３と、他方の圧力検出用電極８４を備える例えばアルミナ製のダイアフラム８５と、ギャップ８６を形成するためにこれら基板８３及びダイアフラム８５間に介在されたスペーサ層８７と、を例えば積層一体化して構成される。
【０００４】
また、このような圧力検出器８１の基板８３には、外部の機器側との接続をとるための外部接続用の端子部８８、８９が設けられている。外部接続用の端子部８８、８９は、例えば、層間接続部（ビア）９０、９１、スペーサ層８７の端子部９２、配線パターン９３、９４を介して一方及び他方の圧力検出用電極８２、８４にそれぞれ接続されている。
【特許文献１】特開昭６３−２９２０３２号公報
【特許文献２】特開昭５７−４５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記した従来の圧力検出器８１のダイアフラム８５は、その基材がアルミナ、つまり絶縁材料によって構成されている。このため、スペーサ層８７の端子部９２及び層間接続部９１を介して、他方の圧力検出用電極８４を外部接続用の端子部８９に接続するために接続用のリード部として上述した配線パターン９４を設けることが必要となる。したがって、このような構成の圧力検出器では、導体パターンの配線においてレイアウト上の制約を受けるとともに製造工程なども必然的に多くなることから、その改善が求められている。
【０００６】
そこで、ダイアフラムの基材に金属を適用することなどが考えられるが、検出すべき圧力が大きい場合、この金属製のダイアフラムに塑性変形などが生じるおそれがある。また一方で、上記のダイアフラム８５は、アルミナ製の基材部分と例えば導電ペーストの焼結体である圧力検出用電極８４との焼成収縮率の違いなどが要因となり、焼成後にダイアフラム本体に反りが生じることなどが懸念される。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ダイアフラムの製造過程で生じ得る反りの発生を抑えつつ製造の簡略化を図ることができる圧力検出器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧力検出器は、一方の圧力検出用電極が設けられた基板と、前記一方の圧力検出用電極と所定の間隙を挟んで対向するように前記基板上に積層され、かつ前記一方の圧力検出用電極と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラムと、を具備することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、ダイアフラム本体を電子伝導性を有する材料で形成しているので、圧力検出用の電極やこの電極のリード部をダイアフラム上に設ける必要性がなく、圧力検出器の製造の簡略化を図ることができる。また、この発明によれば、ダイアフラム全体を単一の材料で形成しているので、製造過程において材料の収縮などの影響でダイアフラム本体に残留応力が作用したとしても、これに起因して反りが生じることなどが抑制される。また、この発明によれば、無機化合物を構成する材料の成分を適宜設定することで、ダイアフラムとしての仕様を満足する機械的強度、弾性、さらには耐熱性や化学的安定性（対候性）を付与することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の圧力検出器は、前記基板に代えて、前記ダイアフラムと所定の間隙を挟んで対向するように当該ダイアフラムに積層されかつ前記一方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製の第２のダイアフラムを備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、一対のダイアフラムのいずれに対しても、圧力検出用の電極やこの電極のリード部を設ける必要がないので、圧力検出器をより簡易的に製造することができる。また、この発明によれば、外部の機器側との電気的な接続が容易に実現されるので、部品レイアウト上の自由度が広がり、例えば圧力検出器の小型化などに寄与することができる。
【００１２】
また、本発明において、上述したダイアフラムを圧力検出用の電極として確実に機能させるために、前記ダイアフラムの電気伝導率は、少なくとも１．０×１０4Ω-1・ｍ-1以上であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
このように本発明によれば、ダイアフラムの製造過程で生じ得る反りの発生を抑えつつ製造の簡略化を図ることが可能な圧力検出器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図である。
同図に示すように、この実施形態の圧力検出器１は、圧力を感知するダイアフラム２を有するセンサ部３と、機器類のメイン基板（マザーボードなど）側に取り付けられるパッケージ部５とから主に構成される分離構造型の圧力センサである。
【００１５】
また、この実施形態の圧力検出器１は、配線パターン８ｂ及び端子部１０並びに層間接続部（ビア）８ａ、９ａを介して、後述する一方の圧力検出用電極８及びダイアフラム２に各々接続された外部接続用のセンサ部３側の端子部１６ａ、１６ｂと、パッケージ部５側の端子部１７ａ、１７ｂとが、錫−アンチモン合金半田からなる接合材１８を介して互いに接合されている。この接合材１８には、銀エポキシなどの導電性樹脂、鉛−錫合金半田、錫−銀−銅合金半田、Ａｇ−Ｃｕ合金からなるロー材、金−錫合金からなるロー材、又は金−ゲルマニュウム合金からなるロー材を適用してもよい。
【００１６】
上述したセンサ部３は、一方の圧力検出用電極８を備える基板１５と、ダイアフラム２と、ギャップ（気密空間）７を形成するためにこれら基板１５及びダイアフラム２間に介在されたスペーサ層１１とを積層一体化して構成される。すなわち、ダイアフラム２は、ギャップ７を挟んで基板１５上の一方の圧力検出用電極８と対向するようにスペーサ層１１を介して基板１５上に積層されており、一方の圧力検出用電極８と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物により構成されている。
【００１７】
基板１５及びダイアフラム２間に気密空間として形成されたギャップ７は、一方の圧力検出用電極８とダイアフラム２との間の静電容量の検出に利用される。すなわち、本実施形態の圧力検出器１は、静電容量型の圧力検出器であって、基板１５上の一方の圧力検出用電極８と、他方の圧力検出用電極として機能しかつ圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム２と、の間の静電容量の変化に基づいて圧力を検出する。
【００１８】
また、このような圧力検出器１が備える上記基板１５及びスペーサ層１１を構成する絶縁層は、アルミナグリーンシートを焼成したセラミック層１４、３０によりそれぞれ形成されている。このセラミック層１４、３０の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックなどを用いることも可能である。なお、パッケージ部５の本体部分もアルミナセラミック材料により形成されている。このパッケージ部５の本体部分の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミック、有機樹脂などを適用することも可能である。
【００１９】
また、上記した一方の圧力検出用電極８は、タングステン、モリブデンとの合金をペースト状に構成した導電ペーストを焼成することによって形成されている。なお、圧力検出用電極８は、銅、銀、ニッケルやこれらの合金で構成されたペーストを焼成することによって形成されてもよい。また、本実施形態の圧力検出器１では、ダイアフラム２が過度に変形した場合、このダイアフラム２と一方の圧力検出用電極８とが接触（短絡）してしまうことを防止するために、電気絶縁性材料であるアルミナセラミックで構成されるショート防止膜２０が、一方の圧力検出用電極８の表面に被覆されている。なお、このシート防止膜２０は、基板１５の構成材料の焼成温度に耐え得る電気絶縁性材料であれば、アルミナセラミック以外の材料を適用することも可能である。
【００２０】
ここで、本実施形態に係る圧力検出器１のセンサ部３が備えるダイアフラム２について説明する。
ダイアフラム２は、上述したように電子伝導性を有する無機化合物（半導体的無機材料を含む）製であって、例えばＴｉＣ、ＷＣ、ＴｉＮ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ3Ｃ2、Ｍｏ2Ｃ、Ｗ2Ｃ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、Ｃｒ2Ｎ、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＨｆＢ2、ＶＢ2、ＮｂＢ2、ＴａＢ2、ＣｒＢ、ＣｒＢ2、Ｍｏ2Ｂ、ＭｏＢ、Ｍｏ2Ｂ5、Ｗ2Ｂ5、ＬａＢ6、ＴｉＳｉ2、ＺｒＳｉ2、ＮｂＳｉ2、ＴａＳｉ2、ＣｒＳｉ2、Ｍｏ5Ｓｉ3、ＭｏＳｉ2、ＷＳｉ2などが例示される。
【００２１】
また、上記した電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラム２の材料としては、例えばＴｉＣ、ＷＣ、ＴｉＮなどとＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏといった金属粉末とを焼結した炭化チタン系、炭化タングステン系、窒化チタン系のサーメット（cermet）を適用することもできる。このようなサーメットの場合、作製されるダイアフラム２の機械的強度や弾性などを考慮して、金属粉末を５〜２０体積％程度、含有させることが望ましい。
【００２２】
また、ダイアフラム２を圧力検出用の電極として確実に機能させるために、ダイアフラム２（電子伝導性を有する無機化合物）の電気伝導率は、少なくとも１．０×１０4Ω-1・ｍ-1（Ｓ／ｍ）以上であることが望ましい。
【００２３】
次に、このように構成された本実施形態の圧力検出器１の製造方法について、上記した図１に加え、図２ａ〜図２ｈに基づき説明する。
図２ａに示すように、厚さ０．５ｍｍのグリーンシート３４に対し、穿孔、タングステン、モリブデンとの合金からなる導電材料による孔埋め、導電ペーストの印刷を行って、このグリーンシート３４上において層間接続部（ビア）８ａ、９ａを介して端子部１６ａ、１６ｂと層間接続された端子部１０及び未焼成の一方の圧力検出用電極３８を備える未焼成の基板（基板１５の母材となる基材）３５を作製した。さらに、この基板３５上の未焼成の圧力検出用電極３８の表面をアルミナセラミックで構成されるアルミナペーストを印刷してショート防止膜２０で被覆した。
【００２４】
次に、図２ｂに示すように、未焼成の基板３５上の未焼成の一方の圧力検出用電極３８及びその周辺部の平坦化処理（フラッタニング処理）を行った。
【００２５】
さらに、図２ｃに示すように、例えば厚さが２５μｍ程度のグリーンシート５０上において層間接続部（ビア）５１を介して接続される端子部１０側に、シートの亀裂発生防止用の保護テープ５２が貼り付けられ、かつ上記のギャップ７に対応する矩形状の貫通穴５３を有するシート状部材５４を用意し、図２ｄに示すように、このシート状部材５４を基板３５側に貼り付けた後、保護テープ５２を剥がした。これにより、凹部３７を有する未焼成のスペーサ層３１を形成した。
【００２６】
この後、図２ｅに示すように、所定の加熱温度（約２５０℃）で昇華するテオブロミンなどの昇華材２４を印刷によって基板３５上に形成されたスペーサ層３１の凹部３７内に充填した。
【００２７】
次に、図２ｆに示すように、昇華材２４が凹部３７内に充填された未焼成の基板３５上に、上記した電子伝導性を有する無機化合物のペースト９をスクリーン印刷法により例えば２０μｍの厚さで印刷した。
【００２８】
次に、図２ｇに示すように、ペースト９を印刷した未焼成の基板３５に対し、昇華材２４を昇華させるため加熱温度２５０℃で加熱処理を行った。次いで、加熱温度を例えば１６００℃〜１８００℃程度に設定し、未焼成の基板３５、スペーサ層３１、ペースト９が互いに積層された積層体に対し還元雰囲気中で焼成を行い各層を焼成一体化した。
【００２９】
さらに、図２ｈに示すように、このような焼成処理を経て作製されたダイアフラム２を備えるセンサ部３と、別途作製しておいたパッケージ部５とを半田付けなどによって互いの端子部どうしを接合することで、図１に示した静電容量型の圧力検出器１を得ることができた。
【００３０】
既述したように、本実施形態の圧力検出器１によれば、ダイアフラム２本体を電子伝導性を有する材料で形成しているので、圧力検出用の電極やこの電極のリード部をダイアフラム２上に設ける必要性がなく、当該圧力検出器１を容易に製造することができる。本実施形態の圧力検出器１によれば、ダイアフラム２全体を単一の材料で形成しているので、製造過程において材料の焼成収縮などの影響でダイアフラム本体に残留応力が作用したとしても、これに起因して反りが生じることなどが抑制される。また、本実施形態の圧力検出器１によれば、ダイアフラム２の構成材料として、サーメットなどの電子伝導性を有する無機化合物を適用しているので、ダイアフラム２本体に所望の機械的強度や弾性を付与することができる。これにより、圧力検出時にダイアフラムが塑性変形することなどを防止することができる。
【００３１】
なお、図２ｃ、図２ｄにより例示したギャップ７を構成するための未焼成のスペーサ層３１をシート状部材５４を用いて形成する製法に代えて、図３ａ、図３ｂに示す製法を適用してもよい。
すなわち、図３ａに示すように、まず、スクリーン印刷法によりアルミナセラミックのペースト３２を、一方の圧力検出用電極８の設けられた部位及び層間接続部９ａの基板３５上に露出する部位を避けて、未焼成の基板３５上に例えば５μｍ〜２０μｍ程度の厚さで印刷して、未焼成のスペーサ層３６を形成し、次に、図３ｂに示すように、層間接続部（ビア）９ａの基板３５上に露出する部位の表面及びその近傍に例えば導電ペーストを印刷して端子部３３を形成するようにしてもよい。
【００３２】
また、図２ｆに示した電子伝導性を有する無機化合物のペースト９をスクリーン印刷する工程に代えて、図４に示すように、電子伝導性を有する無機化合物を別途焼成しておいた焼結体（ダイアフラム）３９と、同様に別途焼成しておいたスペーサ層１１を有する基板１５と、をメタライズ法などを用いて互いを接合（積層一体化）するようにしてもよい。この製法では、スペーサ層１１及び基板１５の構成材料と、電子伝導性を有する無機化合物との焼成温度が大きく異なる場合に有用な方法となる。
また、焼結体３９と同様に別途焼成しておいたスペーサ層１１を有する基板１５と、を
低融点ガラスを用いて接合（積層一体化）してもよい。
【００３３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図５及び図６ａ〜図６ｃに基づき説明する。なお、これら図５及び図６ａ〜図６ｃにおいて、第１の実施形態で説明した構成要素と同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与してその説明を省略する。
【００３４】
すなわち、図５に示すように、この実施形態に係る圧力検出器４１は、相異なる二方向（矢印Ｘ１、Ｘ２方向）から圧力を感知する一対のダイアフラム４２ａ、４２ｂを有するセンサ部４３と、機器類のメイン基板側に取り付けられるパッケージ部５とから構成される分離構造型の圧力センサである。
【００３５】
一対のダイアフラム４２ａ、４２ｂは、ギャップ（気密空間）４７を有するスペーサ層６０を挟んで各々対向し、パッケージ部５の表面に対して起立した姿勢で配置されている。また、これらのダイアフラム４２ａ、４２ｂは、第１の実施形態のダイアフラム２と同一の材料、つまり電子伝導性を有する無機化合物で構成されており、それぞれが一方及び他方の圧力検出用電極としても機能する。したがって、このような圧力検出器４１は、矢印Ｘ１方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム４２ａと、矢印Ｘ２方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム４２ｂと、の間の静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型の圧力検出器である。
【００３６】
このように構成される本実施形態の圧力検出器４１の製法としては、図６ａに示すように、まず、ギャップ４７に対応する開口部６２を中央に有し、予め焼成しておいた例えばアルミナセラミック製のスペーサ部材６１と、このスペーサ部材６１の製造工程と異なる工程で、別途焼成しておいたダイアフラム用基板４４ａ、４４ｂとを、図６ｂに示すように互いに接合した。
【００３７】
これらの接合には、Ａｇ−Ｃｕ合金からなるロー材、金−錫合金からなるロー材、金−ゲルマニュウム合金からなるロー材、ガラス封止材、エポキシ樹脂などを用いた接合を適用することができる。
【００３８】
この後、図６ｃに示すように、スペーサ層６０を挟んで積層一体化されたダイアフラム４２ａ、４２ｂを備えるセンサ部３と、別途作製しておいたパッケージ部５とを半田付けなどによって互いの端子部どうしを接合することで、図５に示した静電容量型の圧力検出器１を得ることができた。
【００３９】
したがって、本実施形態に係る圧力検出器４１によれば、一対のダイアフラムのいずれに対しても、圧力検出用の電極やこの電極のリード部を設ける必要がないので、圧力検出器をより簡易的に製造することができる。また、本実施形態の圧力検出器４１によれば、機器側に取り付けられるパッケージ部５と、ダイアフラム４２ａ、４２ｂとの接続がこのように容易に実現されるので、部品レイアウト上の自由度が広がり、圧力検出器本体の小型化などに寄与することができる。
【００４０】
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、ダイアフラムを有するセンサ部と機器類のメイン基板側に取り付けられるパッケージ部とを個別に作製して、最終的にそれぞれをロー付けや半田付けなどにより接合する分離構造型の圧力検出器について説明したが、これに代えて、ロー付けや半田付けなどが不要となるように、センサ部分とパッケージ部分とが製造過程の初期段階で予め一体化されている一体構造型の圧力検出器などに対しても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図。
【図２ａ】図１の圧力検出器の製造方法において、未焼成の基板上に導電性ペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図２ｂ】図２ａの未焼成の基板上における未焼成の一方の圧力検出用電極及びその周辺部分に対し平坦化処理が行われた状態を示す断面図。
【図２ｃ】図２ｂの未焼成の基板に対し矩形状の貫通穴を有するシート状部材を貼り付ける直前の状態を示す断面図。
【図２ｄ】図２ｃの未焼成の基板にシート状部材を貼りけた後、保護テープを剥がした状態を示す断面図。
【図２ｅ】図２ｄのシート状部材を貼りけた未焼成の基板上の凹部に昇華材を充填した状態を示す断面図。
【図２ｆ】図２ｅの昇華材を凹部に充填した未焼成の基板上に電子伝導性を有する無機化合物のペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図２ｇ】図２ｆのペーストが印刷された未焼成の基板における昇華材の昇華のための加熱処理、及び焼成処理について説明するための断面図。
【図２ｈ】図２ｇの焼成処理を経て得られたセンサ部をパッケージ部に接合する直前の状態を示す断面図。
【図３ａ】図２ｄのシート状部材を貼りける工程に代えて、絶縁性のペーストを印刷して未焼成のスペーサ層を形成した状態を示す断面図。
【図３ｂ】図３ａの絶縁性のペーストの所定の非印刷部分に導電ペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図４】図２ｆの電子伝導性を有する無機化合物のペーストを印刷する工程に代えて、焼成後の基板と別途焼成しておいたダイアフラム用基板とを接合する直前の状態を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図。
【図６ａ】予め焼成しておいたスペーサ部材と、別途焼成しておいたダイアフラム用基板とを互いに接合する直前の状態を示す断面図。
【図６ｂ】図６ａのスペーサ部材とダイアフラム用基板とが互いに接合されたセンサ部を示す断面図。
【図６ｃ】図６ｂのセンサ部をパッケージ部に接合する直前の状態を示す断面図。
【図７】従来の静電容量型の圧力検出器の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１，４１…圧力検出器、２，４２ａ，４２ｂ…ダイアフラム、３，４３…センサ部、５…パッケージ部、７，４７…ギャップ、８…一方の圧力検出用電極、９…電子伝導性を有する無機化合物のペースト、１５…焼成後の基板、３５…未焼成の基板、４４ａ，４４ｂ…ダイアフラム用基板。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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